生物工程研究进展

生物工程的研究现状
摘要：在 20世纪90年代初，“21世纪是生命科学的世纪”还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在刚刚进入21世纪，这个预言正在变成现实。

关键词：生物工程、研究现状、基因、克隆、生物芯片
当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，谁的科技发达，谁的综合国力就强大。

现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。

其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重视，是因为它是解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性，还因为它与理、工、农、医等科技的发展、与伦理道德、法律等社会问题都有着密切的关系。

高新技术的重要特征之一是学科横向渗透，纵向加深，综合交错，发展迅速。

所以世界各国争相投巨资发展，确定生物技术为21世纪经济和科技发展的优先领域。

一、研究热点
（一）、基因组学技术
基因组学（英文genomics），研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。

用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。

该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。

2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。

基因组学的主要工具和方法包括：生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定。

基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学，又被称为后基因组研究，成为系统生物学的重要方法。

我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。

60年代，我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素；70年代初又测定出1.8 埃; 分辨率的猪胰岛素三维结构，成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家，这些研究工作处于当时的世界先进水平。

我国结构基因组学研究虽然启动时间较短，但已经获得了不少重要进展。

据初步统计，已经完成了近千个克隆，已表达出210个蛋白质，其中有100多个可溶或部分可溶；获得近30个结晶和NMR样品，已经测定出5个结构。

（二）、生物信息学
生物信息学(Bioinformatics)是研究生物信息的采集，处理，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，它通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术而揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。

生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。

它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。

其研究重点主要体现在基因组学和蛋白质组学两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能的生物信息。

主要研究方向：1、序列比对
2、蛋白质结构比对和预测
3、基因识别非编码区分析研究
4、分子进化和比较基因组学
5、序列重叠群（Contigs）装配
6、遗传密码的起源
7、基于结构的药物设计
8、生物系统的建模和仿真
9、生物信息学技术方法的研究
10、生物图像
11、其他，如基因表达谱分析，代谢网络分析；基因芯片设计和蛋白质组学数据分析等，
生物信息学研究的基本方法：以数据（库）为核心 1 数据库的建立2 生物学数据的检索 3 生物学数据的处理 4 生物学数据的利用：计算生物学
综上所述，不难看出，生物信息学并不是一个足以乐观的领域，究竟原因，是由于其是基于分子生物学与多种学科交叉而成的新学科，现有的形势仍表现为各种学科的简单堆砌，相互之间的联系并不是特别的紧密。

在处理大规模数据方面，没有行之有效的一般性方法；而对于大规模数据内在的生成机制也没有完全明了，这使得生物信息学的研究短期内很难有突破性的结果。

那么，要得到真正的解决，最终不能从计算机科学得到，真正地解决可能还是得从生物学自身，从数学上的新思路来获得本质性的动力。

（三）、基因克隆技术
基因克隆是70年代发展起来的一项具有革命性的研究技术，可概括为∶分、切、连、转、选。

"分"是指分离制备合格的待操作的DNA，包括作为运载体的DNA 和欲克隆的目的DNA；"切"是指用序列特异的限制性内切酶切开载体DNA，或者
切出目的基因；"连"是指用DNA连接酶将目的DNA同载体DNA连接起来，形成重组的DNA分子；"转"是指通过特殊的方法将重组的DNA分子送入宿主细胞中进行复制和扩增；"选"则是从宿主群体中挑选出携带有重组DNA分子的个体。

基因工程技术的两个最基本的特点是分子水平上的操作和细胞水平上的表达，而分子水平上的操作即是体外重组的过程，实际上是利用工具酶对DNA分子进行"外科手术"。

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DNA克隆涉及一系列的分子生物学技术，如目的DNA片段的获得、载体的选择、各种工具酶的选用、体外重组、导入宿主细胞技术和重组子筛选技术等等。

从不同的重组DNA分子获得的转化子中鉴定出含有目的基因的转化子即阳性克隆的过程就是筛选。

目前发展起来的成熟筛选方法如下：
（一）插入失活法外源DNA片段插入到位于筛选标记基因（抗生素基因或β-半乳糖苷酶基因）的多克隆位点后，会造成标记基因失活，表现出转化子相应的抗生素抗性消失或转化子颜色改变，通过这些可以初步鉴定出转化子是重组子或非重组子。

目前常用的是β-半乳糖苷酶显色法即蓝白筛选法。

（二）PCR筛选和限制酶酶切法提取转化子中的重组DNA分子作模板，根据目的基因已知的两端序列设计特异引物，通过PCR技术筛选阳性克隆。

PCR 法筛选出的阳性克隆，用限制性内切酶酶切法进一步鉴定插入片段的大小。

（三）核酸分子杂交法制备目的基因特异的核酸探针，通过核酸分子杂交法从众多的转化子中筛选目的克隆。

目的基因特异的核酸探针可以是已获得的部分目的基因片段,或目的基因表达蛋白的部分序列反推得到的一群寡聚核苷酸,或其它物种的同源基因。

（四）免疫学筛选法获得目的基因表达的蛋白抗体，就可以采用免疫学筛选法获得目的基因克隆。

这些抗体即可是从生物本身纯化出目的基因表达蛋白抗体，也可从目的基因部分ORF片段克隆在表达载体中获得表达蛋白的抗体。

上述方法获得的阳性克隆最后要进行测序分析，以最终确认目的基因。

（四）、动物体细胞克隆技术
动物体细胞克隆技术是利用生物技术由无性生殖产生与原个体有完全相同基因组之后代的过程.科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆，这门生物技术叫克隆技术，含义是无性繁殖。

克隆技术在现代生物学中被称为“生物放大技术”。

对于高级动物，在自然条件下，一般只能进行有性繁殖，所以要使其进行无性繁殖，科学家必须经过一系列复杂的操作程序。

克隆是人类在生物科学领域取得的一项重大技术突破，反映了细胞核分化技术、细胞培养和控制技术的进步。

意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群，简称为“无性繁殖”。

动物克隆技术的重大突破，也带来了广泛的争议。

克隆一个生物体意味着创造一个与原先的生物体具有完全一样的遗传信息的新生物体。

在现代生物学背景下，这通常包括了体细胞核移植。

在体细胞核移植中，卵母细胞核被除去，取而代之的是从被克
隆生物体细胞中取出的细胞核，通常卵母细胞和它移入的细胞核均应来自同一物种。

由于细胞核几乎含有生命的全部遗传信息，宿主卵母细胞将发育成为在遗传上与核供体相同的生物体。

线粒体DNA这里虽然没有被移植，但相对来讲线粒体DNA还是很少的，通常可以忽略其对生物体的影响。

利用克隆技术可以在抢救珍奇濒危动物、扩大良种动物群体、提供足量试验动物、推进转基因动物研究、攻克遗传性疾病、研制高水平新药、生产可供人移植的内脏器官等研究中发挥作用，但如果将其应用在人类自身的繁殖上，将产生巨大的伦理危机。

（五）、生物芯片技术
生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。

按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。

生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，它可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。

它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。

基因芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地。

这些无疑将会产生巨大的社会和经济效益。

有着广泛的经济、社会及科研前景。

因此，国际上一些著名的政治家, 投资者和科学家均看好这一技术前景。

认为基因芯片以及相关产品产值有可能超过微电子芯片, 成为下一世纪最大的高技术产业，具有巨大的商业潜力。

一、社会前景
基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提供手段。

这将在研究人类重大疾病的相关基因及作用机理等方面发挥巨大的作用。

人类许多常见病如肿瘤、心血管病、神经系统退化性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系。

生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段，促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”（第二阶段医学）向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”（第三阶段医学）过渡，使之尽快进入实际应用。

DNA芯片技术可用于水稻抗病基因的分离与鉴定。

水稻是我国的主要粮食作物，病害是提高水稻产量的主要限制因素。

利用转基因技术进行品种改良,是目前最经济有效的防治措施。

而应用这一技术的前提是必须首先获得优良基因克隆,但目前具有专一抗性的抗病基因数量有限，限制了这一技术的应用。

而基因芯片用于水稻抗病相关基因的分离及分析，可方便的获取抗病基因，产生明显的社会效益。

在医药设计、环境保护、农业等各个领域，基因芯片均有很多用武之地，成为人类造福自身的工具
二、经济前景
美国总统克林顿在1998年1月对全国的演讲中指出“未来十二年, 基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津”。

1998年6月27日华盛顿邮报在报道Motorola进入基因芯片领域时, 认为这将造福于子孙后代。

美国“Fortune”杂志在1997年3月重点介绍了基因芯片技术, 论述了未来产业化的前景,该文预测“在2005年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50亿美元, 2010年有可能上升为400亿美元”。

这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。

由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力, 北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。

如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。

基因芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。

三、社会前景
1、高密度芯片的批量制备技术：利用平面微细加工技术，结合高产率原位DNA合成技术，制备高密度芯片是重要的发展趋势。

2、高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题，它决定基因芯片的应用和功能。

利用生物信息学方法，根据被检测基因序列的特征和检测要求，设计出可靠性高，容错性好，检测直观的高密度芯片是决定其应用的关键。

3、生物功能物质微阵列芯片的研制：发展高集成度的生物功能单元的微阵列芯片，特别是发展蛋白质、多肽、细胞和细胞器、病毒等生物功能单元的高密度自组装技术，研制和开发有批量制备潜力的生物芯片制备技术。

二、应用
(一）、生物诊断领域
与传统诊断技术相比生物诊断技术具有灵敏性、专用性、易用性的特点。

生物诊断技术的发展趋势：加速增长和边界扩张；个性化医疗，即诊断更加精确、治疗更加个性化；基于价值的定价等。

生物诊断针对的靶是全新的，该领域发展很快。

由于有了新的疾病辨别指针，新药临床试验的目标更小，新药研发的高额成本得以有效降低。

减少药物的不良反应和改善预防与个性化医疗水准等需求也与日俱增，以上凡此种种，使得生物诊断领域在近年来得到很快发展。

从临床诊所使用的检测角度，生物诊断有持续大于10％的增长；服务性中心实验室限制了多种测试及其技术平台大规模的发展，一些技术平台在临床诊所使用时比服务性中心实验室更有效率，效果也比较好。

生物诊断前景广阔。

个性化医疗的兴起代表了新的健康标准；10亿美元以上
的高销售额药物将变得较少，带之而起的是针对性更强的效果更好的个性化药物；诊断和处方药捆绑销售的个性化医疗必将成为新的趋势，因此医疗支付系统也将面临方式的改变。

（二）、营养功能食品
营养功能食品公司竞相重组。

营养功能食品在全球有1500亿美元以上产值(2001年美国529亿美元)，人们对饮食所提供的营养不足的信任危机仍然存在，因此市场将会是长期的；浓缩食品售销量增加。

民意调查还表明人们宁愿吃功能食品，而不是自然饮食，功能食品销量增加(2001年全球销售额达566亿美元)；食品和化学公司认识到专用功能成分和食品的结合的重要性。

营养功能食品的成功有赖于更多的满足客户需求；产品中包含更强的科技成分，对各类技术、新思想、新产品都应当尽早吸收；建立产品研发供应价值链；加强合作伙伴关系。

（三）、农业生物技术
农业生物科技表现死气沉沉。

常规农业生物制品价格是十几年来最低的，除了个别有特色的品种之外，没有什么有价值的新产品。

合作合同在数量和规模上都令人失望。

农业生物科技产业并购的伙伴较少，合并行动也造成了内部的混乱。

农业生物科技在广度和深度上都没有充分体现价值。

与此同时，社会上对转基因作物、有风险的转基因动物的敏感度也在下降。

（四）、生物材料
强大的基因组基础研究对生物材料和生物工程提供了有力支持。

微生物、人和动物、植物基因组长期的基础研究和技术发展为生物科技产业提供了强大的知识资源和技术工具。

这也为抓住“基于知识的机会”推动知识经济提供了一个成功的佐证。

如利用基因组学、生物信息学、高通量药物筛选、组合化学、蛋白质学、工艺工程等学科的交叉作用，对传统制药业、农业、工业生物科技都产生了重要影响。

随着微生物基因组、人类基因组和植物基因组知识资源和技术手段的成熟，通过物质科学、化学、计算机科学、材料科学、应用数学、细胞生物学等学科的交叉作用，生物材料、生物化工、生物工艺的未来的学科增长点正在迅速凝结。

生物技术对工业的支撑是非常强的。

已经有大量的基因组序列库(人、水稻、拟南芥)，一些基因和过程已经清楚。

分子进化学说已经得到验证；用化学工厂的理论理解植物生长过程，在表达合成塑料前
体、抗体、治疗蛋白、疫苗和工业酶方面等都得到了成功应用。

在代谢途径工程方面，通过生物发酵的方法处理难降解的生物材料格外引入注目。

三、结束语
《圣经》载，上帝在创世纪中创造了果木、动物和人；21世纪人类将成为造物主，因为基因的发现使人类能够改变生命并创造生命，西游记中孙猴子拔几根猴毛吹出几个小猴子的神话正在变成现实。

生物技术的发展可谓日新月异，如同20世纪五六十年代开始计算机改变从制造业、旅游业、到保险业的每一个行业一样，生物技术也将改变许多行业，影响我们的生活和社会。

参考文献
[1]林慧, 陈泽林. 抗肿瘤药物的研究进展[J]. 中国医院药学杂志, 1998, 18 (8) : 368.
[2]郑晓克.抗肿瘤药物的研究进展[J].中山大学研究生学刊(自然科学、医学版)，2008，29(4)：80.
[3]赵元寿，乔守怡.现代遗传学[M].高等教育出版社，页码3～14.
[4]P.C.温特 G.I.希基 H.L.弗莱彻.遗传学[M].科学出版,5～16.
[5]何水林.基因工程[M].科学出版社，1～5.
[6]杨业华.普通遗传学[M].高等教育出版社，9～12.
[7]王镜岩.生物化学[M].高等教育出版社，6～15.
[8]王镜岩.生物化学[M].高等教育出版社，236～240.
[9]何水林.基因工程[M].科学出版社，27～29.
[10]何建勇.发酵工艺学[M].中国医药科技出版社，13～18.
[11]余利岩.微生物生态学研究方法的新进展[J].微生物学通报,2001(01)
[12]陈华葵,李阜棣,陈文新.土壤微生物学[M].科学出版社，1981
[13]王凤山.生物技术制药[M].人民卫生出版社，3～29.
[14]姚文兵.生物化学[M].高等教育出版社，3～12.
[15]沈关心.微生物学与免疫学[M].高等教育出版社，5～8.。